CN112631287B - 一种车联网环境下车辆编队控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车联网环境下车辆编队控制系统与方法，属于车联网领域。所述方法包括信息系统和控制系统。控制系统与信息系统和车辆物理系统进行有线连接，接收信息系统信息并执行控制指令，包括：速度控制器和角度控制器。在建立领航‑跟随模型和系统误差模型的基础上，提出使用李雅普诺夫稳定性理论设计一种跟随距离时变的领航跟随速度控制器，使编队车辆在不同速度下保持不同距离的稳定跟随。本发明的优势在于：全面的考虑了车辆信息系统和控制系统的结构与优化了领航‑跟随控制模型，可以解决编队形成、直线行驶、曲线行驶和车辆出入队等编队行驶控制的问题，具有普适性。能够保证编队的安全性和平稳性，提高编队的灵活性和道路的交通容量。

Description

一种车联网环境下车辆编队控制系统与方法

技术领域

本发明属于车联网领域，涉及一种车联网环境下车辆编队控制系统与方法。

背景技术

随着移动互联网、物联网和无线传感器网络技术的发展和应用，车联网技术的应用有望在未来为城市建立智能交通系统,减少交通拥堵,减少安全事故上、提高交通效率发挥重要作用，成为实现未来智能交通目标的有效途径之一。车联网的业务逐步向支持实现自动驾驶的协同服务类应用演进。作为自动驾驶的典型应用场景的车辆编队行驶能够显著改善交通拥堵并提升运输效率，进一步缓解交通压力，则是逐渐成为车联网业务中的研究热点之一。车辆编队行驶是通过C-V2X(Cellular-Vehicle to Everything)等无线通信技术将同向行驶的车辆进行连接，尾随的车辆可接收到前面车辆加速、刹车等信息，并在最短的时间内做出反应。编队的通信主要包括编队内部车辆间通信和编队与外部(智能路侧设备RSU(Rode Side Unit)或者其他车辆)的通信。

在现有的研究中，主要集中在单车道车辆的纵向控制上，而车辆的横向控制和综合控制较少涉及；现有的研究大多集中在单个队列的形成和控制性能的分析，并没有综合研究车队的融合和拆分，车辆加入编队和离开编队。编队行驶与车辆编队的融合和拆分，车辆的入队和离队相结合，能够显著的提高编队的柔性和灵活性，将能够使车辆编队的优势更加充分的发挥；现在的研究大多只从控制理论和方法上将所有车辆假设为匀质运动体进行控制性能的分析，而没有从整个系统和流程的角度进行分析，对控制系统进行模块化分析与方法设计是非常有必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种车联网环境下车辆编队控制系统与方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种车联网环境下车辆编队控制系统，该系统包括信息系统和控制系统两部分；

信息系统用于车辆行驶所需信息数据的采集与处理，包括：

通信模块，用于车辆间、编队间、车辆与RSU之间、车辆与基站之间的信息交互；

无线定位模块，用于车辆自身位置信息的获取；

距离检测模块，用于编队车辆之间的横向距离、与纵向距离的检测；

车道检测与定位模块：用于编队车辆在入队、出队和变道时的车道定位信息的获取；

控制系统用于接收控制信息并执行控制指令，包括：

速度控制器，用于将接收的速度信息转为速度控制指令；

角度控制器，用于车辆在进行转弯、调头和变道转向时的角度指令的执行。

一种车联网环境下车辆编队控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)：联网车辆将自身信息，包括目的地、计算能力、通信速率和编队请求上传到车辆调度中心；

步骤2)：调度中心选取自动驾驶等级较高、计算能力与通信能力更强的车辆作为领航车辆，领航车辆周期的广播预编队信息；

步骤3)：跟随车辆接收到领航车辆的预编队信息后，与领航车辆建立V2V加入编队，并且跟随车辆按照1～N进行编号，跟随车辆的数量到达预编队的长度时N_max时，禁止车辆加入编队，完成编队，编队行驶控制周期开始；

步骤4)：编队完成后，领航车辆接收调度中心与路边单元RSU的路况信息进行编队行驶决策的制定，包括行驶路径、行驶速度和变道，领航车辆周期发布速度、加速度、刹车、转弯和转向信息给跟随车辆；

步骤5)：在编队行驶过程当中，编队中的跟随车辆将利用通信模块将自身的编号、位置、速度、转向角度、误差和间距的自身信息周期性发送给领航车辆；

步骤6)：在行驶过程中，如有编号为i的跟随车辆请求离开编队，i≤N_max，则跟随车辆需要先向领航车辆发起离队请求，等待领航车辆向其下达离队指令后，其驶离编队；如果有队外车辆想加入编队，则需要向领航车辆发起入队请求，领航车辆检测控制系统中的编号列表，如果现有车辆最大编号M，且M＜N_max，M≥0则允许车辆加入编队；

步骤7)：等待下个命令周期，从步骤4)开始。

可选的，所述步骤3)具体为：

S31：通信模块中，车间通信、车辆与路边单元RSU通信使用PC5接口通信，车辆与基站使用Uu接口通信；

S32：无线定位模块中，车辆使用GNSS获取自身的位置信息；

S33：车道检测模块中，车辆使用高精度车载摄像头采集前方车道与相邻车道的路况信息；

S34：距离检测模块中，车辆使用激光、雷达、超声波或者红外线获取距离信息。

可选的，所述步骤4)中，速度计算过程如下：

S41：跟随车辆横向速度由如下公式计算：

其中，D^d表示理想跟随距离，β^d表示两车质心连线与跟随车辆横向速度方向夹角，ω^d表示两车相对角度，v_ωl、v_ul表示领航车的横向和纵向速度，v_ωf表示当前刻跟随车辆的横向速度，e_X、e_θ分别表示两车的横向位置误差和角度误差，常数b表示车辆的后轴到质心的距，k₁、k₂、k₃、k₄是速度控制系统的稳定系数；

S42：跟随车辆纵向速度由如下公式计算：

其中，公式中部分参数代表意义与S41公式中所代表含义一致，e_Y表示两车的纵向位置误差；

将车辆的速度分解为纵向速度和横向速度两个变量，纵向速度用于控制车辆的直线行驶，而横向速度用于控制车辆的曲线行驶，实现车辆不同行驶状态下的控制。

可选的，所述步骤5)中，跟随车辆系统误差模型和理想跟随距离模型如下：

S51：跟随车辆横向位置误差由如下公式计算：

其中，D^d表示理想跟随距离，β^d表示两车质心连线与跟随车辆横向速度方向夹角，ω^d表示下个时刻两车相对角度，v_ωl、v_ul表示领航车的横向和纵向速度，v_ωf表示当前刻跟随车辆的横向速度，e_Y、e_θ表示当前时刻两车的纵向位置误差和角度误差，常数b表示车辆的后轴到质心的距离；

S52：跟随车辆纵向误差信息由如下公式计算：

其中，公式中参数代表意义与S51公式中所代表含义一致，e_X表示两车横向位置误差；

S53：跟随车辆角度误差信息由如下公式计算：

S54：车辆间的理想跟随距离信息由如下公式计算：

其中，v_ul、v_uf分别表示领航车和跟随车辆的行驶速度；

跟随通过计算系统误差和理想跟随距离并发送给领航车，领航车就在下个指令周期下达更为准确的控制信息。

可选的，所述步骤6)中，队内车辆出入编队方法的方法如下：

S61：队内车辆出队时，队内编号为i的车辆向领航车辆发出离队申请，i＜N_max，接收到领航车辆的离队许可后开始出队，并且领航车将第i号车辆出队的消息发送给所有跟随车辆，并且将i+1及以后的车辆重新向前顺延一位编号；出队和重新编号完成后，领航车辆主动提高第i号及以后跟随车辆的速度，以调整与前车的跟随距离；

S62：队外车辆入队时，入队车辆先向领航车辆发起入队申请，并将车辆自身的车道、位置、速度和加速度的信息发送给领航车辆，领航车辆检查编号列表是否有可用编号，如果有可用编号，领航车辆根据车辆位置和速度，分配编号i，并插入第i-1号和第i+1号车辆之间；第i+1及以后的车辆主动减速，等待i+1号车辆与第i-1号车辆拉开两倍车距，第i+1号车辆发送入队准备就绪信号给领航车辆，领航车辆发送入队许可指令给入队申请车辆；入队申请车辆根据接收到的行驶指令驶入对应车道，并将自身的入队完成信号给领航车辆，将自身的行驶信息发送给前后车辆；入队完成后，领航车辆主动调整车队进入正常行驶状态。

本发明的有益效果在于：

1、本发明从系统层面阐述了描述了编队车辆系统的构成，从编队形成、编队行驶、编队出入队综合考虑了编队的控制。

2、本发明设计的速度控制器可以自动修正系统误差，实时的优化跟随距离，控制器不仅能适应直线行驶状态下的队列控制，而且也适用于曲线行驶下的队列控制，因此具有普适性。

3、本发明在实际应用中可以确保编队平稳、安全运行，改善交通拥堵提升。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为系统模型图；

图2为编队控制流程图；

图3为领航跟随模型图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为系统模型图，由信息系统和控制系统构成，总体描述如下：

1、信息系统主要由通信模块、无线定位模块、距离检测模块和车道检测模块构成，其中通信模块：用于车辆间(V2V)、编队间、车辆与RSU(Road Side Unit)与基站之间的信息交互，其中车间通信、车辆与路边单元RSU通信使用PC5接口通信，车辆与基站使用Uu接口通信；无线定位模块：用于车辆自身位置信息的获取，车辆使用GNSS(Global NavigationSatellite System)获取自身的位置信息；车道检测模块：用于编队车辆在入队、出队和变道时的车道定位车道信息，车辆使用车载摄像头采集前方车道与相邻车道的路况信息；距离检测与定位模块：用于编队车辆之间的横向距离、与纵向距离的检测，车辆可以使用激光、雷达、超声波或者红外线获取距离信息。

2、控制系统主要由速度控制器和角度控制器构成，其中，速度控制器：用于将接收的速度信息转为速度控制指令；角度控制器：用于车辆在进行转弯、调头和变道等转向时的角度指令的执行。

图2为系统控制流程图，控制流程及方法如下：

步骤1)：联网车辆将自身信息，包括目的地、计算能力、通信速率、编队请求等上传到车辆调度中心；

步骤2)：调度中心选取自动驾驶等级较高、计算能力与通信能力更强的车辆作为领航车辆，领航车辆周期的广播预编队信息；

步骤3)：跟随车辆接收到领航车辆的预编队信息后，与领航车辆建立V2V(Vehicleto Vehicle)通信并加入编队，并且跟随车辆按照1～N进行编号，跟随车辆的数量到达预编队的长度时N_max时，禁止车辆加入编队，完成编队，编队行驶控制周期开始；

步骤4)：编队完成后，领航车辆接收调度中心与路边单元RSU(Road Side Unit)的路况信息进行编队行驶决策的制定，比如行驶路径、行驶速度、变道等，领航车辆周期发布速度、加速度、刹车、转弯和转向等信息给跟随车辆，其中根据领航跟随模型，跟随车辆横向速度由如下公式计算：

其中，D^d表示理想跟随距离，β^d表示两车质心连线与跟随车辆横向速度方向夹角，ω^d表示两车相对角度，v_ωl、v_ul表示领航车的横向和纵向速度，v_ωf表示当前刻跟随车辆的横向速度，e_X、e_θ分别表示两车的横向位置误差和角度误差，常数b表示车辆的后轴到质心的距，k₁、k₂、k₃、k₄是速度控制系统的稳定系数。

跟随车辆纵向速度由如下公式计算：

其中，e_Y表示两车的纵向位置误差。

步骤5)：在编队行驶过程当中，编队中的跟随车辆将利用通信模块将自身的编号、位置、速度、转向角度、误差和间距等自身信息周期性发送给领航车辆，系统误差模型如下计算：

跟随车辆横向位置误差由如下公式计算：

其中，D^d表示理想跟随距离，β^d表示两车质心连线与跟随车辆横向速度方向夹角，ω^d表示下个时刻两车相对角度，v_ωl、v_ul表示领航车的横向和纵向速度，v_ωf表示当前刻跟随车辆的横向速度，e_Y、e_θ表示当前时刻两车的纵向位置误差和角度误差，常数b表示车辆的后轴到质心的距离。

跟随车辆纵向误差信息由如下公式计算：

其中，e_X表示两车横向位置误差。

跟随车辆角度误差信息由如下公式计算：

跟随车辆的理想间距由如下公式计算：

其中，v_ul、v_uf分别表示领航车和跟随车辆的行驶速度。

步骤6)：在行驶过程中，如有编号为i(i≤N_max)的跟随车辆请求离开编队，则跟随车辆需要先向领航车辆发起离队请求，等待领航车辆向其下达离队指令后，其驶离编队。如果有队外车辆想加入编队，则需要向领航车辆发起入队请求，领航车辆检测控制系统中的编号列表，如果现有车辆最大编号M(M≥0)，且M＜N_max，则允许车辆加入编队；

步骤7)：等待下个命令周期，从步骤4)开始；

图3为领航跟随模型图，根据此图建立系统速度模型和误差模型，步骤4)、步骤5)中跟随车辆的速度和误差计算具体方法如下：

1、速度模型：利用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论设计速度控制器，该速度控制器有横向速度、纵向速度两个变量，横向速度来描述车辆的变向和转弯等运动状态、纵向速度用来描述车辆的绝对运动速度，这两个变量可以完整的表述车辆的运动状态。此外，此控制器可以自动修正系统误差，实时的优化跟随距离，确保编队平稳、安全运行。

2、系统误差模型：将两车跟随距离D分解为与跟随角度ω有唯一关系的分量，以跟随车辆的质心为原点，纵向速度方向为Y轴，横向运动方向为X轴建立辅助直角坐标系，将跟随距离D分为沿X轴的D_X和沿Y轴的D_Y。当垂直分量D_Y的误差接近于0，说明两车间的距离保持稳定，当水平分量D_X的误差接近于0，说明跟随角度保持稳定，当跟随距离和跟随角度同时接近于0时，则认为整个跟随控制系统稳定。

如前所述的一种车联网环境下车辆编队控制系统与方法，进一步地，步骤6)中的具体实施方法如下：

1、队内车辆出队时，队内编号为i(i＜N_max)的车辆向领航车辆发出离队申请，接收到领航车辆的离队许可后开始出队，并且领航车将第i号车辆出队的消息发送给所有跟随车辆，并且将i+1及以后的车辆重新向前顺延一位编号；出队和重新编号完成后，领航车辆主动提高第i号及以后跟随车辆的速度，以调整与前车的跟随距离。

2、队外车辆入队时，入队车辆先向领航车辆发起入队申请，并将车辆自身的车道、位置、速度和加速度等信息发送给领航车辆，领航车辆检查编号列表是否有可用编号，如果有可用编号，领航车辆根据车辆位置和速度，分配编号i，并插入第i-1号和第i+1号车辆之间；第i+1及以后的车辆主动减速，等待i+1号车辆与第i-1号车辆拉开两倍车距，第i+1号车辆发送入队准备就绪信号给领航车辆，领航车辆发送入队许可指令给入队申请车辆；入队申请车辆根据接收到的行驶指令驶入对应车道，并将自身的入队完成信号给领航车辆，将自身的行驶信息发送给前后车辆；入队完成后，领航车辆主动调整车队进入正常行驶状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种车联网环境下车辆编队控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1)：联网车辆将自身信息，包括目的地、计算能力、通信速率和编队请求上传到车辆调度中心；

步骤2)：调度中心选取自动驾驶等级较高、计算能力与通信能力更强的车辆作为领航车辆，领航车辆周期的广播预编队信息；

步骤3)：跟随车辆接收到领航车辆的预编队信息后，与领航车辆建立V2V加入编队，并且跟随车辆按照1～N进行编号，跟随车辆的数量到达预编队的长度时N_max时，禁止车辆加入编队，完成编队，编队行驶控制周期开始；

步骤4)：编队完成后，领航车辆接收调度中心与路边单元RSU的路况信息进行编队行驶决策的制定，包括行驶路径、行驶速度和变道，领航车辆周期发布速度、加速度、刹车、转弯和转向信息给跟随车辆；

步骤5)：在编队行驶过程当中，编队中的跟随车辆将利用通信模块将自身的编号、位置、速度、转向角度、误差和间距的自身信息周期性发送给领航车辆；

步骤6)：在行驶过程中，如有编号为i的跟随车辆请求离开编队，i≤N_max，则跟随车辆需要先向领航车辆发起离队请求，等待领航车辆向其下达离队指令后，其驶离编队；如果有队外车辆想加入编队，则需要向领航车辆发起入队请求，领航车辆检测控制系统中的编号列表，如果现有车辆最大编号M，且M＜N_max，M≥0则允许车辆加入编队；

步骤7)：等待下个命令周期，从步骤4)开始；

所述步骤3)具体为：

S31：通信模块中，车间通信、车辆与路边单元RSU通信使用PC5接口通信，车辆与基站使用Uu接口通信；

S32：无线定位模块中，车辆使用GNSS获取自身的位置信息；

S33：车道检测模块中，车辆使用高精度车载摄像头采集前方车道与相邻车道的路况信息；

S34：距离检测模块中，车辆使用激光、雷达、超声波或者红外线获取距离信息；

所述步骤5)中，跟随车辆系统误差模型和理想跟随距离模型如下：

S51：跟随车辆横向位置误差由如下公式计算：

其中，D^d表示理想跟随距离，β^d表示两车质心连线与跟随车辆横向速度方向夹角，ω^d表示下个时刻两车相对角度，v_ωl、v_ul表示领航车的横向和纵向速度，v_ωf表示当前刻跟随车辆的横向速度，e_Y、e_θ表示当前时刻两车的纵向位置误差和角度误差，常数b表示车辆的后轴到质心的距离；

S52：跟随车辆纵向误差信息由如下公式计算：

其中，e_X表示两车横向位置误差；

S53：跟随车辆角度误差信息由如下公式计算：

S54：车辆间的理想跟随距离信息由如下公式计算：

其中，v_ul、v_uf分别表示领航车和跟随车辆的行驶速度；

跟随车辆通过计算系统误差和理想跟随距离并发送给领航车，领航车就在下个指令周期下达更为准确的控制信息。

2.根据权利要求1所述的一种车联网环境下车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，速度计算过程如下：

S41：跟随车辆横向速度由如下公式计算：

其中，D^d表示理想跟随距离，β^d表示两车质心连线与跟随车辆横向速度方向夹角，ω^d表示两车相对角度，v_ωl、v_ul表示领航车的横向和纵向速度，v_ωf表示当前刻跟随车辆的横向速度，e_X、e_θ分别表示两车的横向位置误差和角度误差，常数b表示车辆的后轴到质心的距离，k₁、k₂、k₃、k₄是速度控制系统的稳定系数；

S42：跟随车辆纵向速度由如下公式计算：

其中，e_Y表示两车的纵向位置误差；

将车辆的速度分解为纵向速度和横向速度两个变量，纵向速度用于控制车辆的直线行驶，而横向速度用于控制车辆的曲线行驶，实现车辆不同行驶状态下的控制。

3.根据权利要求1所述的一种车联网环境下车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤6)中，队内车辆出入编队方法的方法如下：

S61：队内车辆出队时，队内编号为i的车辆向领航车辆发出离队申请，i＜N_max，接收到领航车辆的离队许可后开始出队，并且领航车将第i号车辆出队的消息发送给所有跟随车辆，并且将i+1及以后的车辆重新向前顺延一位编号；出队和重新编号完成后，领航车辆主动提高第i号及以后跟随车辆的速度，以调整与前车的理想跟随距离；

S62：队外车辆入队时，入队车辆先向领航车辆发起入队申请，并将车辆自身的车道、位置、速度和加速度的信息发送给领航车辆，领航车辆检查编号列表是否有可用编号，如果有可用编号，领航车辆根据车辆位置和速度，分配编号i，并插入第i-1号和第i+1号车辆之间；第i+1及以后的车辆主动减速，等待i+1号车辆与第i-1号车辆拉开两倍车距，第i+1号车辆发送入队准备就绪信号给领航车辆，领航车辆发送入队许可指令给入队申请车辆；入队申请车辆根据接收到的行驶指令驶入对应车道，并将自身的入队完成信号给领航车辆，将自身的行驶信息发送给前后车辆；入队完成后，领航车辆主动调整车队进入正常行驶状态。

4.基于权利要求1～3中任一项所述车联网环境下车辆编队控制方法的车辆编队控制系统，其特征在于：该系统包括信息系统和控制系统两部分；

信息系统用于车辆行驶所需信息数据的采集与处理，包括：

通信模块，用于车辆间、编队间、车辆与RSU之间、车辆与基站之间的信息交互；

无线定位模块，用于车辆自身位置信息的获取；

距离检测模块，用于编队车辆之间的横向距离、与纵向距离的检测；

车道检测与定位模块：用于编队车辆在入队、出队和变道时的车道定位信息的获取；

控制系统用于接收控制信息并执行控制指令，包括：

速度控制器，用于将接收的速度信息转为速度控制指令；

角度控制器，用于车辆在进行转弯、调头和变道转向时的角度指令的执行。

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